Физики квантово запутали фотоны, одновременно не существующие

Похоже, они издеваются над нами. Физикам давно было известно, что квантовая механика позволяет создавать тонкую связь между двумя квантовыми частицами — запутанность. Это ситуация, в которой одна частица может мгновенно определять состояние другой — где бы та ни находилась. Теперь эксперименты показали, что возможно запутать два фотона, которые даже не существуют одновременно.

Парадоксы квантовой физики, не дающие физикам спать, тем не менее дают нам и практические результаты. Кто знает, возможно, квантовая запутанность однажды ляжет в основу элементарной телепортации?

«Вы знаете, это клево», — говорит Джереми О’Брайен, экспериментатор Университета Бристоля в Великобритании, не имеющий отношения к работе. Такое состояние запутанности, разделенное временем, предсказывается в рамках стандартной квантовой теории, однако «оно широко не распространялось, и я даже не знаю, было ли сформулировано четко до этого момента».

Запутанность это парадокс, который полностью спрятан в неопределенностях квантовой механики. Представьте: у вас есть квантовая частица света, или фотон. Ее можно расположить таким образом, что она будет вертеться вертикально или горизонтально. Квантовая механика любит неопределенности, и благодаря ей фотон может вертеться одновременно и по вертикали, и по горизонтали. Если потом вы измерите состояние фотона, вы обнаружите, что он вертится либо горизонтально, либо вертикально, поскольку двойственное состояние схлопнется в одно (коллапс волновой функции): только в одно. Только если измерите, конечно.

Запутанность появляется, когда вы берете два фотона. Каждый из них можно поставить в состояние неопределенной вертикальности или горизонтальности. Но поскольку фотоны запутываются, их состояние будет идентичным, даже если вы не измерите его. К примеру, вы измеряете первый фотон и обнаруживаете, что он поляризован горизонтально. В тот же момент вы понимаете, что второй фотон схлопывается и вертится в вертикальном положении — вне зависимости от того, как далеко он находится. И поскольку этот распад происходит моментально, сам Альберт Эйнштейн окрестил запутанность «жутким действием на расстоянии». Все это не противоречит общей теории относительности: вы не можете контролировать результаты измерения первого фотона, поэтому квантовая связь не может передавать сообщение, которое движется быстрее света. Впрочем, возможно ли движение быстрее света, мы уже выясняли.

На рисунке изображено следующее: запутывание с заменой (наверху), где состояние (синий цвет) передается фотонам 1 и 4 с произведением измерений на фотонах 2 и 3. В новом эксперименте (внизу) выяснилось, что схема работает, даже если фотон 1 уничтожается до того, как создается фотон 4.

Илий Мегидиш, Хагаи Айзенберг и коллеги из Еврейского университета Иерусалима запутали два фотона, которые не существовали в одно и то же время. Они начали со схемы, известной как запутывание с заменой. Для начала исследователи облучали лазером специальный кристалл несколько раз, чтобы создать две пары фотонов, 1-2 и 3-4. В начале фотоны 1 и 4 не были запутаны. Но они будут таковыми, если ученые произведут особый трюк с 2 и 3.

Суть в том, что измерение «проектирует» частицу в определенное положение — точно так же, как измерение фотона заставляет его коллапсировать в вертикальное или горизонтальное положение. Поэтому, даже если фотоны 2 и 3 начинают, не будучи запутанными, физики могут проделать «проектирующее измерение», которое установит запутанную связь между двумя разными парами. Это измерение запутает фотоны, даже путем поглощения и уничтожения их. Если ученые измерят только события, в которых запутанности фотонов 2 и 3 приходит конец, измерение также запутает фотоны 1 и 4. Эффект напоминает работу четырех цепных шестеренок: две внутренних задают связь внешним двум.

В последнее время физики работали в рамках обычного времени. К примеру, в прошлом году было показано, что запутывание с заменой будет работать даже после того, как состояния фотонов 1 и 4 будут измерены. Теперь же Айзенберг и его коллеги показали, что фотоны 1 и 4 могут вообще не существовать одновременно, о чем и поспешили сообщить в Physical Review Letters.

Чтобы проделать это, они сначала запутали пару 1 и 2, а после измерили поляризацию 1. Сразу после этого была создана запутанная пара 3 и 4, и выполнено проектирующее измерение. Наконец, ученые измерили поляризацию фотона 4. И хотя фотоны 1 и 4 никогда не существовали одновременно, измерения показали, что их поляризации в конечном счете запутались. Айзенберг подчеркнул, что хотя в теории относительности время измеряется по-разному наблюдателями, которые движутся с разной скоростью, ни один наблюдатель никогда не видел два фотона сосуществующими.

Эксперимент показал, что думать о природе запутанности как о физически осязаемой связи, совершенно неправильно.

«Там нет момента во времени, когда два фотона существуют одновременно», — говорит физик. — «А значит вы не можете сказать, что система запутана в этот или в тот момент».

Тем не менее, явление существует. Антон Цайлингер, физик из Венского университета, согласился с тем, что эксперимент показывает, насколько скользкой остается квантовая механика.

«Она неуловима, потому что демонстрирует в большей или меньшей мере, что квантовые события находятся за пределами наших повседневных представлений о пространстве и времени».

Чем же хорош этот эксперимент? Физики надеются создать квантовые сети, в которых протоколы с использованием запутывания с заменой помогут удаленным пользователям обрести невзламываемую шифрованную связь. Новые выводы позволяют предположить, что при совместном использовании запутанных пар фотонов в таких сетях пользователю не придется ждать, чтобы увидеть, что происходит с фотонами, которые «остались позади».

Кроме того, такие эксперименты открывают умы людей. Вдруг кому-нибудь придет в голову идея, как ее использовать.